用DIS系统探究光电效应实验规律

康良溪

(福建省同安第一中学 福建 厦门 361100)

光电效应规律是近代物理学教学中的难点.要突破这一教学难点，关键在于做好光电效应规律的演示.30多年来，教材始终编排观察、利用光电管进行的演示实验，以探索光电效应规律，而一般中学仪器设备还比较差，就连实验专用的光电管也难拿到.之前，笔者用传统方法研究了光电效应规律的实验，但是实验过程记录、处理、分析数据较繁琐而费时间，现在采用DIS系统探究光电效应规律，实现用电脑记录、处理、分析数据、输出探究实验结果，定量、直接、快捷地探究光电效应规律.文章试述数字化光电效应规律实验的研究.

1 研制实验仪器

如图1所示为用DIS系统探究光电效应规律的实验装置.

图1 探究光电效应规律的实验装置

2 制作方法

2.1 制作材料

(1)主要材料:GDB-1型光电管,小手电筒,导线,微调电位器,木板,塑料管等.

(2)外协材料:直流高压电源(实验室的普通仪器)1台，电脑1台.

(3)DIS系统:直流电压传感器“量程-10～+130 V，分度0.1 V”1个，“量程-20～+20 V，分度0.01 V”1个，直流电流传感器“量程100 μA，分度0.1 μA”1个，数字采集器1个.

2.2 具体制作方法

(1)仪器示教板：由GDB-1型光电管、直流电压传感器、直流电流传感器、微调电位器、小手电筒(光源)等器件组成.小手电筒对准光电管K极，由夹子固定在铁架台上.示教板再配用250 V直流电源供电使用.

(2)制作光电管管罩：作为遮光套筒(如图2)，材料是塑料水管，内径比光电管的要大一些，在遮光套筒侧面挖一个孔径φ 20 mm的小孔作为窗口，对准光电管的极板K.遮光套筒窗口上、下粘了一对凹槽，作为遮光板架的轨道.

图2 光电管管罩

(3)制作遮光板(图3)：插在光电管的遮光套筒外侧的遮光板架轨道，可以推拉，制作材料是光滑塑料薄板，遮光板挖4个透光孔，每个面积分别为1S，2S，3S，4S，实验时，依次分别使它对准光电管的遮光套筒(管罩)侧面的窗口，用它来改变射到光电管阴极上的光通量.仪器示教板电路如图4组成.

图3 遮光板

图4 仪器示数板电路

3 实验方法

3.1 演示“光电流”的产生

实验器材：上述所介绍的自制仪器,DIS器材有直流电压传感器“量程-20～+20V，分度0.01V”1个，直流电流传感器“量程100μA，分度0.1μA”1个，数字采集器1个等.

实验方法：

(1)不外加电压，光照光电管阴极，有光电流，电压为负值，如图5(a).为何有这电流？因为光电管阴极K在白光照射下逸出的光电子有一部分迁移到阳极A，光电子在闭合回路中产生电流.

图5

(2)若用纸板遮挡遮光板的透光孔，电流立即消失，电流表读数为零，如图5(b)，拿开纸板，电流又恢复原值.光电子产生的电流，叫做光电流.

3.2 演示光电流(不饱和)大小跟光强关系

实验方法：通过保持电压UAK为一定值，改变光源与光电管K 极的距离.

实验发现：距离近，光电管K极收到的光强大，光电流也增大，反之也减少.

3.3 演示光电流与入射光频率的关系

实验原理：不同的金属其极限频率不同，只有当入射光频率大于某金属的极限频率时，才能使金属逸出电子，产生光电效应.

实验器材：本仪器使用的光电管是GDB-1型，阴极是用锑铯材料制成，极限频率4.62*1014Hz .准备红、黄、绿、紫四种滤色片，其中红色滤色片的峰值波长0.660 0 μm，频率4.55*1014Hz .

表1 透过四种滤色片后的入射光频率

实验方法：

(1)先保持光源的发光强度及它与光电管G阴极的距离一定，依次在遮光板透光孔前放黄、绿、紫滤色片，都有光电流，如图6(a)、(b)、(c)，表明这几种光都能使光电管的阴极(锑铯)产生光电效应.

图6

(2)在遮光板透光孔前放红的滤色片，不见产生光电流，如图6(d)，再把光源移近光电管G阴极以增大入射光的强度，也不见产生光电流.

实验结论：要使某种金属产生光电效应，入射光的频率必须大于某个极限频率，低于这个极限频率的光，无论强度如何，照射的时间多久，也不能产生光电效应.

3.4 研究光电子的最大初动能与入射光频率的关系

实验方法：

(1)将仪器示教板的电源输入端的正、负极反接，调节电位器R，使UAK= 0，按亮小手电筒(光源)，保持它与光电管G阴极的距离，这时光电流为0.5 μA，如图7(a)，把红色滤色玻璃挡在遮光板的透光孔，光电流变为零，如图7(b)；把挡光滤色片换为黄色，再调节R，使反向电压继续增大，直到光电流刚好为零，这时反向电压为0.4 V，如图7(c).根据能量守恒定律,有

则具有最大初动能的光电子恰好不能到达阳极A，即末速度

vA=0

因此，它们的最大初动能为

Ek代入数据得

Ek=0.4eV

图7

表2 光电子最大初动能

比较它们初动能大小，得出“入射光的频率越大，光电子的初动能越大”的实验结论.

3.5 研究入射光强不变时，光电流的大小跟正向电压的关系，什么是“饱和光电流”

实验器材：DIS器材有直流电压传感器“量程-10～+130 V，分度0.1 V”1个，直流电流传感器“量程100 μA，分度0.1 μA”1个，数字采集器1个等.

实验方法：设光源发光强度为I，则它对距离为r处的遮光板透光孔的照度为

再设遮光板的透光孔面积S，那么,通过遮光板的透光孔并照射在光电管阴极K上的光通量，即入射光通量

所以，只要保持I，r一定，分别4次改变遮光板的透光孔面积，这样就控制了这4次的入射光通量(4Φ，3Φ，2Φ，1Φ)各自保持不变.在这4次中，每次实验通过逐渐调整电位器R，使电压UAK由零逐渐升至100 V.为了让各数据点分布均匀，电压每升高10 V就在电脑功能键上点击“记录数据”一次，记录电压UAK和光电流的相应值.这样4次改变遮光板的透光孔面积就有4组实验数据，最后，再点击功能键“绘图”，电脑就自动拟合出4组光电流随正向电压变化的i-UAK关系图像，如图8.

实验结论：从界面图看出，当入射光强度不变时，光电流随正向电压UAK的升高而增大(非线性)，当电压UAK达到一定值时，光电流就保持饱和值.再增加电压，光电流也不再增大了.这表明K极板发射的光电子已全部被A极吸收去.

图8 电流随正向电压变化的i-UAK图像

3.6 研究当保持电压UAK为一定值时，饱和光电流大小与入射光强度的关系

实验方法：在上面i-UAK图中，从产生饱和光电流的电压区域中任取一电压值，如图9(a),点击“im-Φ图像”功能按键，拟合如图9(b).

(a)

(b)

实验结论：从图9(b)可以看出，当电压UAK达到一定值时，饱和光电流的大小和入射光的强度成正比(线性关系).

4 结束语

研究光电效应规律的实验，其过程内容多，如果采用传统方法，所用的时间较长，而采用现代DIS系统，实验者不但能从繁琐的操作中解脱出来而且能实现定量、直接、快捷地探究光电效应规律，解决光电效应规律教学中的难点，为“新课标”下的教材提供配套的定量探究光电效应规律实验的仪器.本仪器结构简单，取材容易，成本低廉，具有很高的实用推广价值.